一种振动智能补偿机械臂、机器人及其振动测量方法技术

本发明专利技术了公开了一种振动智能补偿机械臂、机器人及其振动测量方法，属于机械工程领域，该振动智能补偿机械臂包括本体框架、压电陶瓷致动器及应变传感器，所述本体框架为一体式加工的类桁架式结构，所述应变传感器安装于所述本体框架上，用于测量本体框架在运动过程中的变形状况并将测量结果反馈至控制系统，所述压电陶瓷致动器安装于所述本体框架中，在控制系统的作用下用于补偿所述本体框架在运动过程中的变形。本发明专利技术的机械臂解决高速高精密轻载机械领域的机械臂振动抑制问题，旨在通过在机械臂中安装振动检测与补偿的智能元件的方式来实现对机械臂的主动振动抑制，并最终提高系统的执行精度。

【技术实现步骤摘要】
一种振动智能补偿机械臂、机器人及其振动测量方法
本专利技术涉及机械臂，具体涉及一种振动智能补偿机械臂。本专利技术还涉及安装有上述振动智能补偿机械臂的机器人。本专利技术还涉及上述振动智能补偿机械臂的振动测量方法。
技术介绍
目前工业机器人普遍精度是0.1mm，但在IC封装、激光焊接等轻载高速精密应用领域，需要机器人能够达到0.03mm以上的精度。主要原因是机械臂在高速运动过程中产生弹性振动，虽然采用高刚性的轻质材料，由于材料固有特性，和驱动过程中的动态载荷激励，特别在高速急停工况中，上述机器臂的振动情况往往更加剧烈。为解决上述机械臂振动问题，常见的方法有：（1）采用高刚性的机械臂本体设计，减轻由机器人的运动变形；（2）增加振动衰减的等待时间，保证执行精度；（3）采用数字滤波等振动抑制控制策略。上述解决方案主要适用于精度或速度要求较低的领域。在存在高加速高速工况和高精密定位要求的轻载应用领域，上述解决方案存在以下缺点：方法（1）的缺点为采用高刚度的机械臂本体设计的适用范围有限，对多位姿变化的机械臂的一致适应性较差。此外，对于高速机械人应用领域，机械臂的惯性影响不能忽略，从而导致机械臂的设计刚度有限；方法（2）存在的缺点为增加运动执行时间，降低了生产效率；方法（3）存在的缺点为机器人在运动过程中机械臂的位置姿态会发生较大的变化，各段机械臂的转动惯量等动力学特性参数会发生较大的变化，数字滤波无法适应动态特性变化场合。
技术实现思路
本专利技术目的在于提出一种振动智能补偿的机械臂，主要用于解决高速高精密轻载机械领域的机械臂振动抑制问题，旨在通过在机械臂中安装振动检测与补偿的智能元件的方式来实现对机械臂的主动振动抑制，并最终提高系统的执行精度。本专利技术的另一目的在于提供一种安装有上述振动智能补偿的机械臂的机器人。本专利技术再一目的在于提供振动智能补偿机械臂的振动测量方法。为了达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种振动智能补偿机械臂，包括本体框架、压电陶瓷致动器及应变传感器，所述本体框架为一体式加工的类桁架式结构，所述应变传感器安装于所述本体框架上，用于测量本体框架在运动过程中的变形状况并将测量结果反馈至控制系统，所述压电陶瓷致动器安装于所述本体框架中，在控制系统的作用下用于补偿所述本体框架在运动过程中的变形。作为本专利技术振动智能补偿机械臂的一种改进，所述本体框架为长方体镂空结构，由一系列的基本梁组成，所述基本梁包括沿本体框架长度方向的基本梁和本体框架四侧面上的交叉基本梁，在每一基本梁上至少设置有一孔槽，压电陶瓷致动器安装于所述孔槽中。本体框架为一体式加工成形的长方体镂空结构，不但制作成本低、模块化设计、便于安装，而且结构稳固，质量轻，机器人可灵活运动。作为本专利技术振动智能补偿机械臂的另一种改进，在所述本体框架的两端安装有本体连接板。作为本专利技术振动智能补偿机械臂的再一种改进，所述控制系统为PID（比例-积分-微分）控制系统。一种机器人，其通过模块化关节安装有如上述的振动智能补偿机械臂。一种振动智能补偿机械臂的振动测量方法，具体包括如下步骤：S1.通过一系列应变传感器来测量出本体框架的变形状况，并将测量的结果反馈至PID控制系统中；S2.设置在本体框架中的压电陶瓷致动器在PID控制系统的作用下产生位移输出，迫使本体框架发生与步骤1中所测量变形状况相反的变形；S3.在应变传感器和压电陶致动器联合构成的测量-执行闭环控制回路的共同作用下，实现本体框架的刚度调整。总之，本专利技术与现有技术相比，具有如下的有益效果：本专利技术的振动智能补偿机械臂通过在本体框架上设置有压应变传感器和压电陶瓷致动器，首先通过压应变传感器测量本体框架在运动过程中的自身整体变形状况，然后压电陶瓷致动器即产生与变形方向相反的力，使得本体框架产生反方向的变形，从而补偿了本体框架在运动过程中的自身变形，改变了本体框架的结构刚度，实现本体框架的刚度调节，从而提高了机器人的工作精度；同时本专利技术的机械臂可标准模块化生产制造，不但成本低，而且能够提高机器人的标准化程度。附图说明图1为实施例一的振动智能补偿机械臂的结构示意图；图2为实施例一中振动智能补偿机械臂基本孔槽的放大示意图；图3为实施例二的振动智能补偿机械臂的结构示意图；图4为实施例二中振动智能补偿机械臂基本孔槽的放大示意图；图5为实施例四中安装有本专利技术振动智能补偿机械臂的机器人的结构示意图；图6为实施例四中模块化关节的结构示意图；图7为PID控制系图的控制框图；图中：1振动智能补偿机械臂，2模块化关节，101本体连接板，102本体框架，103压电陶瓷致动器，104应变传感器，201关节连接座，202万向齿轮轴，203齿轮组，204固定轴销。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面将结合本专利技术中的说明书附图，对专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例一如图1所示，为本实施例中振动智能补偿机械臂的结构示意图，包括本体连接板101、本体框架102、压电陶瓷致动器103及应变传感器104，其中本体连接板101安装于本体框架102的两端，该本体框架102如图2所示，为一体式加工的类桁架结构，具体形式为长方体镂空结构，镂空处理的本体框架101在形式上由一系列的基本梁组成，基本梁包括沿本体框架长度方向的基本梁（矩形的四边）和本体框架四侧面上的交叉基本梁（矩形的对角线）。如图2所示，在每一基本梁上均设置有基本孔槽，基本孔槽的长度方向沿基本梁的长度方向；再如图1所示，压电陶瓷致动器103安装于该基本孔槽中，应变传感器104设置于与该压电陶瓷致动器103相邻的侧面上。实施例二如图3所示，本实施例中的振动智能补偿机械臂的结构基本和实施例保持一致，所不同的是如图4所示，本体框架102上的用于安装压电陶瓷致动器的基本孔槽设置为成对设置的双孔槽；在成对的双孔槽中分别安装有压电陶瓷致动器，可以产生沿基本梁段长度方向的位移输出。实施例三一种振动智能补偿机械臂的振动测量方法，具体包括如下步骤：S1.通过一系列应变传感器来测量出本体框架的变形状况，并将测量的结果反馈至PID控制系统中；S2.设置在本体框架中的压电陶瓷致动器在PID控制系统的作用下产生位移输出，迫使本体框架发生与步骤1中所测量变形状况相反的变形；S3.在应变传感器和压电陶致动器联合构成的测量-执行闭环控制回路的共同作用下，实现本体框架的刚度调整。其中，PID控制系统的控制框图如图7所示，其控制流程具体如下：1）.参考输入为0;2）.机械臂上的应变传感器测量出各基本梁的应变，计算弯曲和扭转变形；3）.弯曲、扭转变形与参考输入偏差，通过PID运算，计算出各基本梁的反变形力，通过压电陶瓷致动器施加到对应的基本梁上；4）.重复2），3），直到偏差为0，实现基本梁变形的补偿。实施例四本实施例为安装有本专利技术振动智能补偿机械臂的机器人，其结构如图5所示，本专利技术的振动智能补偿机械臂通过模块化关节2串联成多自由度机器人。如图6所示，该模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种振动智能补偿机械臂，其特征在于，包括本体框架、压电陶瓷致动器及应变传感器，所述本体框架为一体式加工的类桁架式结构，所述应变传感器安装于所述本体框架上，用于测量本体框架在运动过程中的变形状况并将测量结果反馈至控制系统，所述压电陶瓷致动器安装于所述本体框架中，在控制系统的作用下用于补偿所述本体框架在运动过程中的变形。

【技术特征摘要】
1.一种振动智能补偿机械臂，其特征在于，包括本体框架、压电陶瓷致动器及应变传感器，所述本体框架为一体式加工的类桁架式结构，所述应变传感器安装于所述本体框架上，用于测量本体框架在运动过程中的变形状况并将测量结果反馈至控制系统，所述压电陶瓷致动器安装于所述本体框架中，在控制系统的作用下用于补偿所述本体框架在运动过程中的变形；所述本体框架为长方体镂空结构，由一系列的基本梁组成，所述基本梁包括沿本体框架长度方向的基本梁和本体框架四侧面上的交叉基本梁，在每一基本梁上至少设置有一孔槽，压电陶瓷致动器安装于所述孔槽中，应变传感器设置于与该压电陶瓷致动器相邻的侧面上。2.如权利要求1所述的振动智能补偿机械臂，其特征在于，在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志军，白有盾，陈新，杨海东，陈超然，
申请(专利权)人：佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院，广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44